قسم الفيزياء يناقش رسالة ماجستير تبحث في تصنيع خلية شمسية هجينة من أشباه موصلات عضوية نانوية وأشباه  موصلات

ناقش قسم الفيزياء في كلية التربية للعلوم الصرفة (ابن الهيثم) رسالة الماجستير الموسومة ( تصنيع خلية شمسية هجينة من أشباه موصلات عضوية نانوية NiPcTs وأشباه  موصلات CdS ) للطالبة (  الاء صباح حسن محمد ) التي انجزتها تحت اشراف مشترك من قبل كل من التدريسية في القسم ( م.د. إخلاص هميم  شلال ) و ( الباحث علمي اقدم د. مروج علي عبود ) من وزارة العلوم و التكنولوجيا .

ونوقشت الرسالة علة قاعة المرحوم أ. سالم عبد الحميد من قبل اعضاء لجنة المناقشة :

• أ.د. بشرى كاظم حسون                          رئيسا

• أ.م.د. ياسمين زيدان داود                         عضوا

• أ.م.د. اياد احمد صالح                               عضوا

• م.د. اخلاص هميم شلال                         عضوا و مشرفا

• باحث علمي اقدم د. مروج علي عبود     عضوا و مشرفا

ويهدف البحث الى تحضير وتصنيع خلية شمسية هجينة من غشاء رقيق لأشباه موصلات عضوية  نانوية (NiPcTs ) وهي مختصر الى نيكل فثايوسايلين تتراسولفونك وغشاء رقيق لاشباه موصلات غيرعضوية نانوية غشاء كبريتيد الكادميوم CdS  بسمك يتراوح نحو 100 nm)) و مرسب على ارضية FTO واجراء الفحوصات الفيزيائية للغشاءين   CdS و NiPcTs, تم دراسة خصائص الخلية الشمسية الهجينة في شروط الظلام والإضاءة وقياس الكفاءة

    و تم في هذه الدراسة تحضير وترسيب أغشية شبه الموصل العضوي نيكل فثالوسيانين تتراسلفونيك رباعي حامض الكبريتيك رباعي املاح الصوديوم (NiPcTs) بسمك ( 200nm) بدرجة حرارة (°70C), وشبه الموصل غير العضوي كبريتيد الكادميومCdS ) ) المحضر من محلولي كلوريد الكادميوم CdCl2 وخلات الكادميوم Cd(C2H3O2)2, بسمك (150 nm) بدرجات حرارة°C) (150،200) على التوالي, وأغشية الخليط الهجيني المتغاير (BHJ-CdS/NiPcTs) وفيه غشاء كبريتيد الكادميوم محضر من محلولي كلوريد الكادميوم وخلات الكادميوم بسمك (200nm) بدرجات حرارة (° C (150،200 على التوالي باستخدام تقانة الطلاء البرمي على قواعد من الزجاج و(FTO) لدراسة الخصائص التركيبية والبصرية  والكهربائية .                             

     تم فحص الخصائص التركيبية للأغشية الرقيقة (CdS, NiPcTs) لأغشية الخليط الهجيني المتغاير ( BHJ-CdS/NiPcTs) التي تضمنت تقانة حيود الاشعة السينية (XRD) واختبار طوبوغرافية وتضاريس سطوح الاغشية بتقانة مطياف القوة الذرية ( AFM) وتفانة المجهر الالكتروني الماسح (SEM)، كما تم قياس مكونات وتراكيز المواد المستخدمة في تركيب الاغشية المحضرة باستخدام تقانة مطياف تشتت الاشعة السينية (EDS). وبينت نتائج طيف حيود الاشعة السينية ان اغشية (NiPcTs) كانت ذات تركيب بلوري مكعب (Cubic) واحادي الميل (Monoclinic), وان الاتجاه السائد هو ((100,اما غشاء كبريتيد الكادميوم (CdS) المحضر من محلولي كلوريد الكادميوم وخلات الكادميوم فكان ذا تركيب بلوري سداسيHexagonal , وان الاتجاه السائد للغشاء الناتج من محلول كلوريد الكادميوم هو (110). اما الاتجاه السائد للغشاء المحضر من محلول خلات الكادميوم فكان(101) .  

    اما بالنسبة الى غشاء الخليط الهجيني المتغاير المحضر (BHJ-CdS/NiPcTs) الذي فيه غشاء كبريتيد الكادميوم CdS محضر من محلول كلوريد الكادميوم فكان يحتوي على تركيبين بلوريين سداسي ومكعب احادي الميل وان الاتجاهات السائدة فيه (101) (102), اما الغشاء (BHJ-CdS/NiPcTs) الذي فيه غشاء كبريتيد الكادميوم CdS محضر من محلول خلات الكادميوم فيحتوي على تركيبين بلوريين سداسي ومكعب احادي الميل أيضاً, وكان افضل نمو بلوري فيه عند المستوى (101) . ومن دراسة طوبوغرافية السطح اتضح بان للأغشية المحضرة تراكيب نانوية ذات قمم  كروية او شبه كروية باقطار تراوحت بين (69.79 الى 79.8).

    اما نتائج تقانة المجهر الالكتروني الماسح فقد بينت ان جميع الاغشية المحضرة ذات تجانس جيد وجميع ابعادها كانت نانوية التركيب . 

       تمت دراسة الخواص  البصرية للأغشية المحضرة باستخدام طيف الامتصاصية والنفاذية كدالة للطول الموجي للفوتونات الساقطة, إذ تبين أن قيم معامل الامتصاص لجميع الاغشية كان اكبر من  α ˃104 cm-1  وتمتلك فجوة طاقة مباشرة بقيم تراوحت بين (3-3.5) الكترون فولت للأغشية المحضرة وللخليط الهجيني المتغاير على التوالي.   

      من نتائج القياسات الكهربائية والمتضمنة فياس التوصيلية الكهربائية المستمرة وقياس تأثير هول تبين أن المقاومة الكهربائية لجميع الاغشية تقل بزيادة درجة الحرارة مع وجود طاقتي تنشيط مما يعني وجود آليتين للتوصيل الكهربائي ، إحداهما في درجات الحرارة الواطئة  (C° (30-90 والأخرى في درجات الحرارة العالية (° ( 90-150Cلجميع العينات المحضرة. كما اوضح قياس هول ان اغشية (NiPcTs) تعطي توصيلية موجبة (p-type), اما بقية الاغشية المحضرة فكانت ذات توصيلية سالبة.                                 

  وتم تصنيع مفارق هجينة من الاغشية الرقيقة المحضرة بطريقة الطلاء البرمي على قواعد (FTO) باستخدام تقانة الطبقات (Layer by Layer) كما في المفرق الهجيني (FTO/PEDOT:PSS/BHJ/Al) والذي كانت كفاءته (13.2%) و(10 %) بالنسبة الى المفرق الذي فيه غشاء كبريتيد الكادميوم (CdS) ناتج من محلولي كلوريد الكادميوم وخلات الكادميوم على التوالي، تم تصنيع المفرق الهجيني بتقانة الـ((Sandwich للمفرق FTO/CdS/NiPcTs/Al)) بكفاءة (9.5%) و(8.67%) بالنسبة اْلى لمفرق الذي فيه غشاء كبريتيد الكادميوم (CdS) ناتج من محلولي كلوريد الكادميوم وخلات الكادميوم على التوالي , وأيضاً تم باستخدام تقانة الطبقات الثنائية في تحضير المفرق الهجيني (FTO/CdS/NiPcTs/FTO) الذي كانت كفاءته (1.5% و(0.16%) بالنسبة إلى المفرق الذي فيه غشاء كبريتيد الكادميوم (CdS) ناتج من محلولي كلوريد الكادميوم وخلات الكادميوم على التوالي .

وتوصلت الطالبة في ختام بحثها الى الاستنتاجات الاتية :

1- اظهرت نتائج فحص حيود الاشعة السينية أن الغشاء العضوي المحضر نيكل فثالوسيانسن تتراسولفونيك (NiPcTs) يمتلك تركيباًً مكعباً (Cupic) احادي الميل, وأن الغشاء المحضر غير العضوي كبريتيد الكادميوم (CdS) من محلول كلوريد الكادميوم وخلات الكادميوم يمتلك تركيبًا سداسياًً متعدد التبلور , في حين الغشاء الهجين المتغاير (HJB(NiPcTs/CdS)) يمتلك تركيبين (مكعب ) أحادي الطور يعود الى المركب العضوي (NiPcTs), والتركيب الاخر (سداسي) يعود للمركب  (CdS) .

2   –  يمكن استخدام طريقة (Spin Coating) لتحضير مفرق هجيني متغاير (FTO/CdS/NiPcTs) .

     3 –  بينت قياسات هول (Hall effect) ان أغشية المركب العضوي (NiPcTs) من النوع (p-type)

 في حين أغشية (HJB(CdS/NiPcTs),CdS)) هي من نوع (N-Type) .

4 – أظهرت قياسات التوصيلية المستمرة (Qd.c) ان جميع الاغشية المحضرة لها طاقتا تنشيط .

5  – أظهرت نتائج (I-V) أن الاغشية المحضرة تصلح لأن تستخدم في تحضير المفرق الهجيني المتغاير.

   6  – أفضل النتائج  التي اعطتنا أفضل قيمة للكفاءة كانت للمفرق الهجيني (FTO/PEDOT:PSS/HJB/AL) والتي كفاءتها (10.5 %,13.2%) و(FTO/CdS/NiPcTs/AL)

والتي كانت كفاءتها (9.5% ,8.67%), اما المفارق الهجينة (FTO/CdS/NiPcTs/FTO) فكانت كفاءتها   (1.5%,0.16%) .

التوصيات والمشاريع المستقبلية :

  1- دراسة تأثير تركيز المادة البوليمرية  (PEDOT: PSS ) في الخواص الإلكترونية لخليط لمفرق   المتغاير  ( CdS/ NiPcTs / PEDOT: PSS).

2 – محاولة الترسيب على زجاج ITO والركيزة البلاستيكية المرنة لتصنيع الخلايا الشمسية من خليط المفرق الهجيني CdS/ NiPcTs    وتأثيرها في الخصائص الكهربائية والبصرية  .

3  – إعداد مفرق هجيني من طبقة رقيقة للأغشية CdS/ NiPcTs طبقة تلو الأخرى باستخدام تقانات مختلفة مثل  ترسب PLD (الليزر النبضي) أو طريقة التبخيرالحراري في الفراغ وقياس خصائصه الكهربائية والكفاءة.

    4 – تغيير نسبة (CdS) الى (NiPcTs) بالنسبة إلى (Blend) ودراسة تأثيرها وتصنيع خلية شمسية  مرنة .

   5- استخدام مواد اخرى كإحدى طبقات الخلية لتصنيع خلية متعددة الطبقات من مواد عضوية وغير  عضوية .

6 – استبدال طبقة (CdS) بمادة شبه موصلة اخرى مثل (Zns) .

---

Manufacture of   hybrid solar cell of Organic Semiconductor Nano scale ( NiPcTs)  and Semiconductor CdS

By Ala’a Sabah Hassan

Supervised by Dr.Ikhlas Hemaim Shalal and Dr.Murooj Ali Abood

The Abstract

 In this study, the preparation and deposition of the organic semiconductor thin film of phthalocyaninTetrafluoronic acid tetrachloric acid tetrachloride( NiPcTs) and Thickness(200nm)  and   Temperature 70 ° C and semi – conductor inorganic CdS cadmium sulfide the preparation from CdCl2 cadmium chloride sol and Cd (C2H3O2) 2 sol, and thickness  (130 nm  ) And at temperatures of (150,200 ° C) respectively and the hetero junction blend film  (HJB-CdS / NiPcTs)  In which cadmium sulphidefilme is prepared by cadmium chloride sol. and cadmium acetate and thickness (200 nm) and Tempeture (150,200) respectively, using the spin coating technique on glass bases and (FTO) to study the structural, optical  and  electrical  properties.

         The checked  structural properties of the CdS,NiPcTs and theHeterojunction film  of BHJ-CdS / NiPcTs Which included x-ray diffraction technique (XRD), topographic test and topography of film  surfaces using Atomic Force Spectrometer (AFM)   (SEM). The components and concentrations of the materials used in the preparation of the film prepared using X-ray spectroscopy (EDS) The results of the X-ray diffraction spectrum showed that the NiPcTs had a cupic and monoclinic structure and that the trend was (100)  .)

The Cadmium Sulfide film (CdS) prepared by cadmium chloride and acetate cadmium was hexagonal crystalline, and the predominant direction of the film produced from the cadmium chloride solution is 110    The  predominant trend of the recorded film of cadmium acetate solution was (101). For the HJB-CdS / NiPcTs FILM, in which the CdS cadmium sulphide Film was recorded in the cadmium chloride solution    , It contains two hexagonal crystalline structures and a one-mile cube and the prevailing trends (101) (102 )     The film  (HJB-CdS / NiPcTs) in which CdS cadmium sulfide Film was mined in cadmium acetate solution It contains two hexagonal crystalline structures and a one-mile cube. The best crystalline growth was at the level of (101)  The It is a study  topography of the surface revealed  that the film were prepared with nanoparticles with spherical or spherical peaks with diameters ranging from( 69.79 to 79.8nm)  The results of the technique of scanning electron microscopy showed that all the prepared membranes have good homogeneity and all dimensions were nanoscale composition  The optical properties of the membranes prepared using the absorption and Transmittance spectra were studied as a function of the wavelength of the fallen photons. It was found that the absorption coefficient  values for all the Film s were greater than (α˃ 104 cm-1) It has a direct energy gap with values ranging from( 3 – 3.5) electron volts for the prepared all films  and for the  hetero junction  hybrid mixture respectively The results of the electrical measurements, including the continuous conductivity of the conductivity and the effect hall, showed that the electrical resistance of all the films decreased by increasing the temperature With two energizers, which means two mechanisms for electrical conductivity, one at low temperatures (30-90 ° C) and the other at high temperatures (90-150 ° C) and for all samples prepared Hall  measurement also showed that NiPcTs gave positive p-type and the rest of the membranes were negative Hybrid

Heterojunction differentials were manufactured of thin films prepared by aspin coating and deposition on FTO bases were using layer by layer) technology as in the FTO / PEDOT: PSS / BHJ / Al), which was (13.2%) and (10%) respectively. For the junction in which the cadmium sulphide (CdS) Film is produced by cadmium chloride and cadmium chloride analysts respectively In the same way, the Sandwich Hybrid Junction (FTO / CdS / NiPcTs / Al) was manufactured with an efficiency of 9.5% and 8.67% for the junction where the cadmium sulphide (CdS) was produced by the cadmium chloride and cadmium (FTO / CdS / NiPcTs / FTO), which was 1.5% and (0.16%) for the junction where the cadmium sulphide (CdS) was produced by chloride and  acetate cadmium